JPH04360976A - 構造物の振動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は制御力を加えることによ
り地震や風等による構造物の応答を低減する能動型振動
制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】受動型の振動制御装置としては、ダイナ
ミックダンパー（以下、ＤＤという）があり、構造物に
適用したものとしては、例えば特開昭６３−７６９３２
号公報や特開昭６３−１１４７７３号公報に記載された
もの等がある。

【０００３】図４は構造物に適用されるＤＤの振動モデ
ルを示したものであり、図中、ｍ１　は主振動系を構成
する構造物の質量、ｍｄ　は吸振系を構成する付加質量
体の質量である。また、ｋ１　は構造物本体のバネ定数
であり、質量ｍ１　の構造物本体と質量ｍｄ　の付加質
量体とが、バネ定数ｋｄ　のバネと、減衰係数ｃｄ　の
ダンパーで連結されている。ｘ１　は構造物の変位、ｘ
ｄ　は重りの変位を表す。

【０００４】主振動系の固有角振動数は、ω１　＝（ｋ
１　／ｍ１　）１／２　 で与えられる。

【０００５】ＤＤにおいて、吸振系の質量ｍｄ　は主振
動系の質量ｍ１　との比が、 μ＝ｍｄ　／ｍ１　≧０．０１ 程度となるよう設計されている。

【０００６】このとき、吸振系の固有角振動数は、ωｄ
　＝（１／１＋μ）ω１　 となり、減衰係数ｃｄ　及び減衰定数ｈｄ　は、ｃｄ　
＝２ｍｄ　ωｄ　ｈｄ　 ｈｄ　＝〔３μ／８（１＋μ）〕１／２　と表現される
。

【０００７】また、能動型の振動制御装置としては、例
えば特開平１−２７５８６６〜６９号公報に記載された
もの〔以下、ＡＭＤ（アクティブ・マス・ダンパーの略
）という〕等がある。

【０００８】図５はＡＭＤの振動モデルを示したもので
あり、質量ｍ１　の構造物本体と、質量ｍｄ　の付加質
量体との間に、アクチュエーターの油圧力あるいは電磁
力等による制御力ｕ（ｔ）　を加え、構造物の振動を能
動的に抑制する。

【０００９】ＡＭＤにおいては構造物本体と振動制御装
置を構成する付加質量体との間のバネを柔らかい状態、
すなわち、 ωｄ　≦（１／２）ω１　 とし、制御力ｕ（ｔ）　は例えば次式のような形で与え
られる。

【００１０】 ｕ（ｔ）　＝Ｇ１　（ｄｘ１　／ｄｔ）＋Ｇ２　（ｄｘ
ｄ　／ｄｔ）ここで、Ｇ１　は構造物の応答速度に対す
るＡＧＣ回路等を含む回路のゲインであり、大入力から
小入力までの対応を図ったものである（ここで、Ｇ２　
は負の値となる）。また、上式の第２項は付加質量体側
の振動速度にゲインＧ２　をかけたものを制御力に加え
ることにより、付加質量体側にも減衰性を与え、安定化
を図ったものである。

【００１１】この他、上記ＡＭＤに対し、図６の振動モ
デルで示すようにアクチュエーターによる制御力と並列
にバネ定数ｋｄ　のバネを付加し、ＡＭＤに比べ少ない
制御力でＡＭＤと同程度の振動制御効果を得ようとする
もの〔以下、ＨＭＤ（ハイブリッド・マス・ダンパーの
略）という〕が研究されている。

【００１２】ＨＭＤの場合には、バネ定数ｋｄ　を付加
質量体の振動が構造物の振動と同期するよう、すなわち
、ωｄ　＝ω１　 となるよう設定し、制御力ｕ（ｔ）　を例えば次式の形
で与える。

【００１３】 　　　　　　ｕ（ｔ）　＝Ｇ１　（ｄｘ１　／ｄｔ）＋
Ｇ２　（ｄｘｄ　／ｄｔ）　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　＋Ｇ３　（ｘ１　−ｘｄ　）ここで、Ｇ３
　は負の符号を持つゲインであり、上式の第３項により
振動時に付加質量体に作用する慣性力の一部をキャンセ
ルし、少ない制御力で付加質量体を振動させられるよう
にしている。

【００１４】さらに、出願人は特開昭６３−１５６１７
１号公報において、ＤＤの付加質量体に対し、それより
小さい質量の第２の付加質量体をバネとアクチュエータ
ーを介して連結し、アクチュエーターから第２の付加質
量体に対して制御力を加えることにより、地震等による
構造物の振動を抑制する形式の能動型振動制御装置を提
案している。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ＤＤの付加質量体に対
し、それより小さい質量の第２の付加質量体を設け、ア
クチュエーターから第２の付加質量体に対して制御力を
加え、構造物の振動を抑制する形式の振動制御装置は、
ＡＭＤあるいはＨＭＤに比べ、さらに小さな制御力で高
い振動制御効果を得られるようにしたものであるが、Ａ
ＭＤ、ＨＭＤと同様、駆動体あるいは付加質量体（また
は第２の付加質量体）の発生する騒音、振動等の問題が
ある。

【００１６】また、メンテナンス等の理由から駆動部の
保護を考えなければならず、またその設置スペース等も
考慮する必要がある。

【００１７】本発明は従来の振動制御装置における問題
点の解決を図ったもので、小さい供給エネルギー、制御
力で作動し、地震等に対する構造物の振動を効果的に抑
制できるとともに、騒音および構造物に対し有害な振動
が防止され、かつメンテナンスの面でも優れた信頼性及
び安全性の高い振動制御装置を提供することを目的とし
ている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の振動制御装置は
上述したＤＤの基本構成における付加質量体を第１付加
質量体とし、第１付加質量体に対して上述したＡＭＤま
たはＨＭＤを構成する第２付加質量体を加えたものに相
当し、言わば能動型の２重動吸振器を構成するものであ
る。

【００１９】所定質量ｍａ　の第１付加質量体は内部に
部屋を形成した構造体からなり、高減衰積層ゴム等の所
定のバネ定数ｋａ　と所定の減衰係数ｃａ　を有する支
持体によって支持され、構造物の頂部、その他適切な場
所に設置される。

【００２０】所定質量ｍｂ　の第２付加質量体は、第１
付加質量体の内部、すなわち第１付加質量体の形成する
部屋内に設置され、制御力ｕ（ｔ）　により、前記第１
付加質量体に対し相対移動可能な駆動体を構成する。

【００２１】支持体のバネ定数ｋａ　の値は第１付加質
量体の振動周期が構造物の固有周期（通常、１次の固有
周期）と同期するように決定される。一方、支持体の減
衰係数ｃａ　はＤＤの場合よりかなり大きくとり、駆動
体から受ける力で第１付加質量体を加振する構成とする
。支持体は必ずしも高減衰積層ゴムに限定されないが、
高減衰積層ゴムの場合、目標とするバネ定数ｋａ　及び
高い減衰係数ｃａ　が容易に得られる利点がある。従っ
て、所定のバネ性能、減衰性能が得られるものであれば
、高減衰積層ゴム以外の空気バネと減衰材の組み合わせ
、通常の免震用の積層ゴムと弾塑性ダンパーとの組み合
わせ等、種々の形式が可能である。

【００２２】制御力ｕ（ｔ）　は、例えばリニアモータ
ー等による電磁力あるいは油圧シリンダー等による油圧
力等の形で与えられ、地震や風等の振動外力による構造
物の応答、あるいは地震応答解析等に基づいて制御され
る。

【００２３】

【実施例】次に、図示した実施例について説明する。

【００２４】図１は本発明の一実施例における振動制御
装置の構造を示したものである。

【００２５】振動制御装置を構成する第１付加質量体と
しての構造体１が部屋を形成しており、構造体１の内部
には第２付加質量体としての駆動体２及びアクチュエー
ター４が設けられている。

【００２６】第１付加質量体はコンクリートや鉄等で内
部に部屋を形成した構造体１からなり、分散配置された
複数の高減衰積層ゴム３ａからなる支持体３によって、
建物の屋上等、所定の設置床面上に支持されている。

【００２７】構造体１の部屋内部には第２付加質量体と
しての駆動体２及びアクチュエーター４が設置され、駆
動体２が構造体１の床面上を走行する。なお、走行面に
おける摩擦力はできるだけ小さくする。

【００２８】図２は本発明の振動制御装置を振動モデル
として表したもので、図１の実施例において、第１付加
質量体としての構造体１と第２付加質量体としての駆動
体２を所定のバネ定数ｋｂ　のバネで連結したものに相
当する。すなわち、図１の実施例がＤＤとＡＭＤの組み
合わせであるのに対し、図２のモデルはＤＤとＨＭＤの
組み合わせとなる。

【００２９】図中、ｍ１　は主振動系を構成する構造物
の質量、ｍａ　は第１付加質量体の質量、ｍｂ　は第２
付加質量体の質量である。また、ｋ１　は構造物本体の
バネ定数、ｋａ　は支持体のバネ定数、ｃａ　は支持体
の減衰係数、ｋｂ　は第１付加質量体とその内部に設け
られた第２付加質量体間のバネ定数、ｕ（ｔ）　は制御
力である。ｘ１　は構造物の変位、ｘａ　は第１付加質
量体の変位、ｘｂ　は第２付加質量体の変位を表す。

【００３０】高層建物、超高層建物等の大型の構造物を
対象とする場合、第１付加質量体の質量は例えば構造物
の質量の１／５００〜１／１０００程度とする。ただし
、この場合の質量は内部の第２付加質量体及びアクチュ
エーター等の質量も含めて考える。また、第２付加質量
体の質量は、例えば第１付加質量体の質量の１／２０〜
１／１００とする。

【００３１】具体的な数値例を挙げると、構造物総重量
が１０万トンの場合において、第１付加質量体を約１０
０トン、第２付加質量体を約５トンとする設計が考えら
れる。

【００３２】図２におけるパラメーターを用いると、主
振動系、第１付加質量体及び第２付加質量体の角振動数
ω１　、ωａ　、ωｂ　は、 ω１　＝（ｋ１　／ｍ１　）１／２　 ωａ　＝（ｋａ　／ｍａ　）１／２　 ωｂ　＝（ｋｂ　／ｍｂ　）１／２　 と表される。

【００３３】これらの角振動数を同調させることで、次
式の関係が成立する。

【００３４】ω１　≒ωａ　≒ωｂ　 また、前述した構造物、第１付加質量体及び第２付加質
量体の質量の間の関係は、 ｍａ　／ｍ１　＝１／５００〜１／１０００ｍｂ　／ｍ
ａ　＝１／１０〜１／１００と表せる。

【００３５】さらに、第１付加質量に対する支持体の減
衰係数ｃａ　は次式で表せる。

【００３６】ｃａ　＝２ｍａ　ωａ　ｈａ　上式におい
て、ｈａ　は支持体の減衰定数であり、後述する理由に
より支持体の設計において、ｈａ　＝１０％〜５０％程
度の大きな減衰定数のものを用いる。

【００３７】また、第２付加質量体である駆動体の動き
を制御するための制御力を次式によって規定する。

【００３８】 　　　　　　ｕ（ｔ）　＝Ｇ１　（ｄ２ｘ１　／ｄｔ２
　）＋Ｇ２　（　ｄｘｂ　／ｄｔ）　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　＋Ｇ３　（ｘｂ　−ｘａ　）　　……（１
）　　ここで、Ｇ１　、Ｇ２　、Ｇ３　は上記（１）式
の各項におけるゲイン（利得）である。

【００３９】エネルギーは主として支持体のダンパー機
能（減衰係数ｃａ　）により消費する。

【００４０】第１付加質量体の角振動数ωａ　は主振動
系の角振動数ω１　に同期しているので、ダイナミック
ダンパー（動吸振器）を形成している。しかし、支持体
の減衰係数ｃａ　はダイナミックダンパーの最適設計値
より十分大きくする。通常この状態ではダイナミックダ
ンパーが作動しない。

【００４１】そこで、制御力ｕ（ｔ）　を加えて、第１
付加質量体（質量ｍａ　）を加振する。

【００４２】ＡＭＤの通常制御と異なり、構造物の加速
度（ｄ２ｘ１　／ｄｔ２　）をフィードバックする。す
ると、第１付加質量体（質量ｍａ　）は通常のＤＤ（ダ
イナミックダンパー）の何倍も大きく動き、従って振動
制御効果が上がる。

【００４３】ここで、上記（１）　式の第１項における
ゲインＧ１　は主振動系を構成する構造物の加速度が小
さい場合にも、加速度を増幅した形で制御力を与える機
能を有し、これにより振動制御効果を上げることができ
る。

【００４４】制御力ｕ（ｔ）　の反力は第２付加質量体
（質量ｍｂ　＝１／１０ｍａ　〜１／１００ｍａ　）の
慣性力を利用して処理する。

【００４５】上記（１）　式の第２項は作用、反作用の
関係を利用して駆動体１に対しても減衰性を与えるため
の項であり、これにより第２付加質量体の振動の安定化
を図ることができる。第２付加質量体の角振動数ωａ　
を主振動系の角振動数ω１　に同期させた状態において
、ゲインＧ２　は、 Ｇ２　＝２ｍａ　ω１　ｈ と表すことができ、減衰係数ｈが０．１〜０．２（１０
％〜２０％）となるよう設定する。

【００４６】また、前述したＨＭＤの原理を利用して第
２付加質量体の角振動数ωｂ　も主振動系の角振動数ω
１　に同期させておく。すると、バネ力（バネ定数ｋｂ
　）が制御に必要なほとんどの力を吸収するので、制御
に必要な力はさらに小さくなる。

【００４７】すなわち、第２付加質量体には制御力〔ｕ
（ｔ）　〕、慣性力〔ｍｂ　（　ｄｘｂ　／ｄｔ）２　
〕及びバネ力〔ｋｂ　（ｘｂ　−ｘａ　）〕が働いてお
り、次の関係がある。

【００４８】 〔制御力〕＋〔慣性力〕＋〔バネ力〕＝０従って、慣性
力とバネ力がキャンセルし合うことで、制御力を小さく
することができる。

【００４９】その際、上記（１）　式の第３項のゲイン
Ｇ３　（負の値で、例えば−ｋｂ　×０．９または−ｋ
ｂ　×０．８程度の値を選択する）によって生じる同調
角振動数ωｂ　’（＝〔（ｋｂ　＋Ｇ３　）／ｍｂ　〕
１／２　）を、第２付加質量体の角振動数ωｂ　の１／
２以下とする。

【００５０】この結果、入力として用いられる構造物の
応答加速度の５秒の周期成分の他に、例えば約１６秒（
Ｇ３　＝−ｋｂ　×０．９の場合）の周期成分に対し同
調が生じることになり、制御力を少なくするためにはゲ
インＧ１　に適度なフィルターをかける必要がある。

【００５１】従来のＨＭＤの制御で検討されているフィ
ルターはハイパスフィルター等であるが、通常のハイパ
スフィルターは大きな位相ずれを伴っているので、カッ
トオフ振動数をかなり離さなければならず、十分な効果
が得られていないのが実情であり、位相ずれのない急峻
な特性を持つフィルターの工夫が必要となる。

【００５２】図３は本発明の実施例における制御回路の
一部をブロック図として示したもので、上記（１）　式
の第１項の対応する。

【００５３】入力は地震や風等による構造物の応答加速
度であり、これをフィルター回路５、ＡＧＣ回路６及び
リミッター回路７からなる回路で増幅する。なお、図３
は簡略化して示したものであり、フィルター回路５等を
複数重ね合わせて用いることもあり得る。

【００５４】フィルター回路５は目的の振動数付近で位
相のずれがなく、かつ鋭敏な特性を持つもので、その伝
達特性は例えば次式のラプラス関数で与えられる。

【００５５】 　　　　　　Ｈ（ｓ）＝（ｓ２　＋２Ｇ１　ζｎ　ωｎ
　ｓ＋ωｎ　２　）　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　／（ｓ２　＋２ζｎ　ωｎ　
ｓ＋ωｎ　２　）　　……（２）これにより、目的角振
動数（構造物の１次角振動数に相当）ωｎ　で、ゲイン
Ｇ倍（例えば２０倍前後の値とする）の出力が得られ、
かつこの角振動数で位相ずれはない。ζｎ　は減衰定数
であり、例えば０．２〜０．５（２０％〜５０％）とい
った値をとる。高振動数域及び低振動数域でも同様に位
相ずれを生じることはなく、目的角振動数の前後で位相
ずれを生じるのみである。このフィルターを用いること
により、上述の制御方式に必要な制御変位及び制御力が
著しく低減される。

【００５６】ＡＧＣ回路６は、通常、オーディオ回路等
に用いられているものであるが、この回路の採用により
、大入力から小入力までの振動を扱うことができ、振動
制御効果を増すことができる。

【００５７】ただし、ＡＧＣ回路６はある程度の時間遅
れを伴って増幅率を変化させるので、リミッター回路７
により出力を制限し、特に振動初期等において過大な出
力信号が出ないようにした。

【００５８】

【発明の効果】■　　ＤＤを基本構造としてこれに駆動
体を有するＡＭＤまたはＨＭＤの構成を加えたことで、
極めて小さな質量体の駆動により、大きな振動制御効果
を上げることができる。

【００５９】■　　第１付加質量体が部屋を形成し、そ
の内部に駆動体が納められていることで、駆動体の発生
する騒音が外部に漏れ難く、有害な振動は支持体で遮断
されて構造物に伝播され難い。

【００６０】■　　駆動体およびアクチュエーター等の
駆動機構が第１付加質量体としての構造体で守られてい
るため、装置全体を建物の屋上等に設置することができ
る。

【００６１】■　　駆動体が第１付加質量体の内部に設
置されていること、振動制御装置本体は減衰性能の高い
支持体で支持されていること、駆動体の質量が構造物の
質量に比べ非常に小さいこと等から、たとえ駆動部の暴
走があったとしても、構造物本体に与える影響は極めて
小さい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動制御装置の概要を示す鉛直断面図
である。

【図２】本発明の振動制御装置の振動モデル図である。

【図３】本発明の実施例における制御回路の一部の構成
を示すブロック図である。

【図４】比較例としての従来のＤＤの振動モデル図であ
る。

【図５】比較例としての従来のＡＭＤの振動モデル図で
ある。

【図６】比較例としてのＨＭＤの振動モデル図である。

【符号の説明】

１…構造体、２…駆動体、３…支持体、３ａ…高減衰積
層ゴム、４…アクチュエーター、５…フィルター回路、
６…ＡＧＣ回路、７…リミッター回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内部に部屋を形成した所定質量ｍａ　
   の第１付加質量体と、前記第１付加質量体を支持する支
   持体と、前記第１付加質量体の前記部屋内部に設置され
   、前記第１付加質量体との間に作用する制御力ｕ（ｔ）
   　により、前記第１付加質量体に対し相対移動可能な第
   ２付加質量体としての所定質量ｍｂ　の駆動体とからな
   り、前記支持体は前記第１付加質量体に前記構造物の固
   有周期に対応する所定の周期を与えるバネ定数ｋａ　と
   所定の減衰係数ｃａ　を有することを特徴とする構造物
   の振動制御装置。
2. 【請求項２】　　前記支持体は複数、分散配置した高減
   衰積層ゴムである請求項１記載の構造物の振動制御装置
   。
3. 【請求項３】　　前記駆動体は前記第１付加質量体に対
   し、所定のバネ定数ｋｂ　を有するバネにより連結され
   ていることを特徴とする請求項１または２記載の構造物
   の振動制御装置。
4. 【請求項４】　　前記第１付加質量体の質量は前記構造
   物の質量の１／５００〜１／１０００である請求項３記
   載の構造物の振動制御装置。
5. 【請求項５】　　前記駆動体の質量は前記第１付加質量
   体の質量の１／２０〜１／１００である請求項４記載の
   構造物の振動制御装置。